控制网

王革新（1965－）

    浙江台州人，工程师，从事火力发电厂热工过程自动化管理和应用。

1  概述

目前，我国多数大型火电厂的辅助系统是各自独立、互不相连的。各辅助系统多采用可编程逻辑控制器（PLC）与上位机相结合的监控模式，有各自的控制室和生产运行人员。这种传统的、分散型的监控模式，造成设备和人员的重复配置，不利于集中管理和提高劳动生产率。利用先进的网络技术和通信技术将各自独立的辅助子系统连接成网，在维持原有控制设备分布的同时，在相对统一的控制室内实现对多个同类辅助系统的集中监控操作，正成为电厂辅助车间提高控制水平的发展方向和实现“减人增效”目标的重要手段，也是电厂消除自动化“孤岛”现象，实现管控一体化的前提和基础。

根据电厂辅助车间自身的特点，在构建集中监控系统时，需要着力解决四个方面的问题：

(1)  构建具有远距离传输能力、易于扩展的、具有较高的带宽和传输速率、具有良好的抗干扰能力和高可靠性工业控制网络；

(2)  解决不同厂商的控制设备使用的不同网络协议、接口标准之间的数据通讯问题，切实保证数据的稳定可靠传输；

(3)  设计并开发统一风格的友好人机界面，从而满足对实际生产运行的监控需要；

(4)  由于全厂辅控系统I/O点数庞大（一般大型电厂有15000点左右），需要解决辅控系统实时和历史数据库的数据可靠性和稳定性问题。

2  辅控网络的实时性和可靠性

由于辅控网络连接着整个发电厂水、煤、灰等辅助控制系统，必须是实时的、可靠的工业控制网络。控制系统早期采用的现场总线技术，由于技术、经济和政治等方面的原因，市场上没有能够统一到单一的标准，形成多种现场总线并存的局面。由于不同现场总线之间的技术特点与设计特征都不同，基于不同现场总线的产品之间不能实现透明信息互访。而以太网以其速度快、技术发展迅速、扩展性强、可以无限扩展、协议开放、便于自主开发、设备通用、价格便宜等优势迅速占领控制系统领域。

2.1 辅控网络的实时性

以太网在过去很长时间内被认为不适合工业应用是因为早期以太网通信的不确定性。但是，交换技术、全双工通信、快速以太网、千兆以太网、VLAN、IGMP、端口优先级等网络技术的出现使得以太网具有了实时性，成为一个确定性的网络，也使以太网成为工业自动化网络中首选的传输方式。交换技术打破了传统以太网的5-4-3原则，使以太网的规模和覆盖范围大幅度提高，从而战胜众多的局域网技术而一枝独秀。

为了满足电厂辅控系统对于数据通信实时性的要求，在选用以太网交换机时应选用低延迟的工业交换机产品。办公自动化交换机产品的收发延迟一般约2～3毫秒，而工业级以太网交换机的收发延迟需要控制在数个微秒级，才能保证整个网络的传输延迟满足实时控制的要求。

此外，现代网络控制协议，如Ethernet/IP等，会产生大量的多播数据。当接收到多播数据时，普通交换机会将其作为广播数据进行处理， 即将它传送到所有的端口。所以必须选择支持IGMP Snooping的工业交换机，它能识别多播数据包并只将它发送到指定的端口。在网络规模比较大时，为了防止广播风暴，还应采用VLAN技术克服交换网络中广播对网络规模的限制，进一步扩大了网络的覆盖范围，提高了网络的性能。在实时性要求较高的情况下，或者对三网合一的系统（如数据、视频和音频合一），需要选用支持端口优先级的交换机产品，以确保实时性要求高的控制数据或语音以高优先级数据帧进行传输。

2.2  辅控网络的可靠性

由于发电厂辅控网络连接着全厂的辅助控制系统，关系着全厂辅助系统的稳定可靠运行，网络可靠性成为构建辅控网络时需要考虑的一个最主要因素。可靠性可以用公式描述为：

R=MTBF／(MTBF+MTI-R)

其中R为可靠性，MTBF为平均无故障时间，MTI-R为平均故障修复时间。因此，增大可靠性的有效思路是增大平均无故障时间或者减少平均故障修复时间。

在构建电厂辅控的过程中，一方面要尽量遵循“管理集中、控制分散”的原则，减少风险的集中，并采用不同的拓扑结构满足不同的冗余要求。由于电厂电磁干扰大，应尽量采用光纤介质来增加网络的抗电磁干扰能力。另一方面在网络产品的选型时需要考虑电磁兼容性、工作温度、防震等指标是否能满足电厂恶劣环境的要求。工业现场交换机一般是和控制器一起安装在控制柜中，因此必须是工业级设计，最好采用卡轨方式安装，无风扇散热方式，工作温度范围需要从0到55～60℃。此外，整个网络的MTBF值一般要远小于组成元素的MTBF值，但在很大程度上它也取决于组成元素的MTBF值，因此在选择工业网络产品时需要选择MTBF值尽可能高的产品，一般情况下现场卡轨式交换机的MTBF值要在15年以上。

同时，要尽量减小平均故障修复时间MTTR。因此需要选用带有SNMP网络管理功能的交换机，这样可以采用WEB方式或网络管理软件对交换机和整个网络系统进行组态、诊断、故障定位和管理。需要注意的是SNMP网络管理概念非常广泛，对于工业网络交换机来说，对SNMP TRAP(故障陷阱)的支持可以在最短时间内实现故障报警。

3  辅控网络系统的数据通讯

在发电厂的辅助系统中，控制设备往往不同生产厂商的产品，通讯设备的接口协议也不尽相同。因此，在组建全厂辅控网络系统时，必须要有统一的通信和接口方式来解决不同种类设备间的通讯问题。依据上述对辅控网络的实时性和可靠性的分析，以及发电厂的实际情况，在构建辅控网络的数据通讯系统时，建议注意以下几点：

(1)  辅控网络最好采用工业以太网，因为目前只有工业以太网可以提供从工厂设备层到厂级信息的全网络的技术支持，现场总线和PLC专用网络还不可能提出这么大范围的信息传输能力。为了符合电厂未来的发展和改造，网络交换机最好采用模块化结构，具有网管功能，同时支持IE浏览器管理。

(2)  辅控系统和PLC、监控软件接口，以及与第三方通信接口最好采用OPC规范，并且要求OPC支持远程通信。

(3)  为了符合国家对电厂控制系统网络安全的规定，辅控网络与电厂实时数据库系统的接口必须是单向通信，数据只能从辅控系统送到实时数据库。

4  高可用性辅控网络的拓扑结构

组建高可用性的发电厂辅控网络系统可采用多种方案，根据笔者对辅控网络的工程实施经验及工业网络的特性，星环混合型辅控网络具有最高的可靠性和系统实时性，如图1所示。

每个辅助车间控制配置有就地备用操作站，以及冗余工业交换机，现场辅助控制系统通过冗余的交换机上联到集控室。当全部完成辅控系统改造，进行集中控制，也可以取消就地备用操作站。现场辅助控制系统交换机采用超级冗余环技术（如赫斯曼电子公司的Hyper-Ring）配置成容错环网，当环网某一点发生故障，系统可以在<300ms的时间内恢复正常工作，PLC和交换机端口可以根据需要配置不同的冗余度。辅控系统集中控制中心网络也配置成容错环网，现场辅控系统网络和集控中心网络之间采用环间冗余技术实现环网之间的冗余连接，确保冗余切换时间<300ms。

图1  星环混合形结构辅控网络系统

 这样，整个辅控网络不仅具有环形网络的切换快速、安全可靠的特点，还综合了星形网络多路交换、施工方便、扩展灵活的功能，提高了系统的可靠性和实时性。

5  高可用性辅控网络的软件配置

为了组建高可用性辅控网络，除了配置冗余交换机、PLC通讯模板及对等操作员站和容错服务器外，还必须合理配置整个辅控系统的监控软件架构。监控软件是辅控系统的核心，它完成了与PLC或其它智能仪表的通讯接口和驱动，实时/历史数据库的定义，工艺系统画面的组态、链接和实时监控，报警、报表、故障查询、事故追忆等功能的实现。因此，所有辅控子系统的上位机监控软件必须选择高性能的可靠的统一的产品。

由于全厂辅控系统I/O点数庞大，全厂辅控系统软件架构最好采用基于分布式过程数据库的客户/服务器（DBC）模式。虽然基于分布式数据库的客户/服务器的控制系统需要监控的I/O点数巨大，但由于只通过区域（或现场）服务器与现场操作站通信，集控层操作站的数据由服务器广播而来，因此对网络系统的通信负荷不会产生很大的影响，对集控层的操作站的硬件要求也大大降低，但由于要实现全厂辅助系统集中监控，要求服务器或现场操作站必须冗余配置或配置容错服务器。另外，最好设单独的历史站，用于降低服务器的负荷和提高系统稳定性。

6  结语

本文结合火力发电厂辅助控制系统的实际情况，从工业以太网的技术特点、拓扑结构和辅控系统软件架构等几方面出发，初步探讨了组建高可用性辅控网络的关键技术，希望能供有关的工程技术人员参考。

此外，全厂辅控系统能否实现设计目标，除了本文探讨的技术外，很大程度上取决于辅助系统本身的可用性，如执行机构质量、限位开关动作是否灵活可靠、变送器是否准确无误；另外，由于控制中心远离现场，所有自动控制流程所涉及的一次设备应是可控的，不能有手动阀之类的设备，这样才能确保在控制中心对各辅助系统进行有效的监控。